型鋼棧橋在基坑工程中的應用的幾點探討

朱建輝

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

在基坑工程中，土方工程是其重要的組成部分。土方工程一般包括場地平整、基坑開挖、土方裝運、土方回填壓實等工作。基坑土方開挖的目的是為了進行地下結構的施工。為了實現土方開挖，就必須采取相應的支護結構體系，以保證基坑及周邊環境的安全。基坑開挖和土方裝運往往是隨著支護結構的施工進行的。在進行基坑的大規模開挖時，機械化施工所帶來的經濟效益日益凸顯。

鋼棧橋原為戰時的臨時行駛通道，建國后根據我國國情，參照英國公司的最新設計引入我國作為臨時施工鋼棧橋[1]。臨時施工鋼棧橋根據縱向受力構件的不同，分為臨時施工型鋼棧橋和臨時施工貝雷架鋼棧橋。無論是哪一種形式的鋼棧橋，其都具有可分解、組裝快速的優點，自身的施工周期短，造價低，可作為土方運輸車輛和其他施工機械的垂直運輸通道，能夠最大限度減少人工開挖的土方量，加快土方開挖的施工進度，縮短土方開挖的施工時間，達到有效控制工程成本的目的。

目前，國內外研究人員對棧橋的設計和施工缺少系統化的研究成果，大部分是建立在施工經驗上的一些數據。即便是參考文獻，涉及研究的也較少，沒有相關的國家規范，很多是通過類似工程來確定設計和施工方案。

本文將采用有限元分析并結合工程實際，論述臨時施工型鋼棧橋應用在采用內支撐支護體系的深基坑工程中時，如何進行有針對性的設計，以達到最佳的工程效果。

1 基坑臨時施工型鋼棧橋樁頂作用效應的取值

土方運輸車輛在坡道上行駛的過程中，車輛的自重和制動力由工字鋼縱梁傳至雙拼工字鋼橫梁，如(圖1)，最后通過鋼管立柱傳至樁頂。

圖1 臨時施工型鋼棧橋樁頂荷載作用效應

1.1 基坑臨時施工型鋼棧橋樁頂豎向作用效應的取值

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94 －2008)[2]第5.2.1條的規定，基樁的樁頂豎向作用效應如下所示:

式中，Fk為荷載效應標準組合下，由工字鋼縱梁傳至工字鋼橫梁頂面的豎向作用力;Gk為工字鋼橫梁的自重，應包括鋼橫梁兩側橫向加勁肋的重量;n為鋼橫梁下立柱的數量;Nik為荷載效應標準組合偏心豎向力作用下，第i基樁或復合基樁的豎向力;Mxk、Myk為荷載效應標準組合下，作用于承臺底面，繞通過樁群形心的 x、y 主軸的力矩;xi、xj、yi、yj為第 i、j基樁或復合基樁至y、x軸的距離。

如(圖 1)所示，yi=0，Myk=0，故式(1)可簡化為如下的形式，

即同一排工字鋼橫梁下的鋼管立柱基樁的樁頂豎向作用效應相等。

1.2 基坑臨時施工型鋼棧橋樁頂水平作用效應的取值

假設臨時施工棧橋的橋面坡度為θ，土方運輸車輛的自重為G，根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60 －2004)[3]第4.3.1 和4.3.6 條的規定，土方運輸車輛的制動力按同向行駛的汽車荷載(不計沖擊力)計算，因臨時施工鋼棧橋的單跨長度Li＜150m，且棧橋面一般為雙向單車道或者僅為單向單車道，故土方運輸車輛可不考慮荷載在橋面縱向的折減，且土方運輸車輛的制動力按[3]的第4.3.1條的規定，取車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10%計算，且不得小于90kN。即Fz=0.10×(qk×L+Pk)≥90kN。

根據[3]的第4.3.1－4條的規定，公路Ⅰ級的車道荷載的局部荷載qk=10.5kN/m;集中荷載Pk按如下規定取值:棧橋的跨徑小于或等于5m時，Pk=180kN;棧橋的跨徑等于或大于50m時，Pk=360kN;棧橋的跨徑在5m～50m之間時，Pk值采用直線內插求得。由于臨時施工型鋼棧橋的單跨跨徑L一般不大于12m，本文為了驗證方法在工程中的最不利工況下也能滿足規范的要求，取L=12m，按線性插值求得Pk=208kN。根據[3]的第4.3.1－4－2條的規定，棧橋荷載按Ⅱ級車道荷載取值，即按Ⅰ級車道荷載的0.75倍采用。Fz=0.10×(qk×L+Pk)=0.10×0.75×(10.5×12+208)=25.05kN≤90kN，故取 Fz=90kN。

2 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接

2.1 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接的常規做法

基坑臨時施工型鋼棧橋與內支撐體系的連接，一般采用在支撐梁內預埋鋼板和直錨筋，將基坑臨時施工型鋼棧橋的縱梁和鋼板通過焊接進行連接如(圖2)。這種常規的連接方式，通過預埋的直錨筋與混凝土支撐梁的聯結力和直錨筋端部的彎鉤來有效地傳遞水平作用，限制棧橋面的水平位移，但不能有效的承擔由土方運輸車輛和棧橋自身傳來的豎向作用，故需要在棧橋與內支撐梁連接的端部設置鋼管立柱，以承擔上述豎向作用。

圖2 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接

2.2 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接做法的改進

常規的連接做法雖然構造簡單，傳力路徑明確，但在型鋼棧橋與內支撐的連接端部必須用鋼立柱進行支撐，而鋼立柱須用基樁作為其基礎。本文結合內支撐梁的結構和構造特點，對內支撐梁和型鋼棧橋連接端部的截面進行改進，使型鋼棧橋與內支撐梁端部的連接可以同時傳遞水平作用和豎向作用，而無需立柱作為其豎向傳力構件。通過這樣的設計，充分發揮了內支撐梁的承載力，節省了一排立柱和一排基樁的工程費用[5]，能夠達到良好的工程效果，改進后的連接端部截面如(圖3)。

圖3 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接改進

改進后的截面類似混凝土牛腿，依靠挑出長度為500mm的懸臂來承受由型鋼棧橋縱梁傳來的豎向作用力，該懸臂段沿原內支撐CL的縱向進行延伸，延伸范圍為型鋼棧橋橋面寬度方向兩側各1000mm。

2.3 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接截面的配筋計算

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2004)及業主的要求，某工程的臨時型鋼鋼棧橋需承受50kPa的豎向施工活荷載。假設與內支撐連接的型鋼鋼棧橋的跨度L=8m，橋面寬度B=8m，則由棧橋傳至連接截面的豎向力 p=8×8×50÷2÷8=200kN/m，考慮型鋼棧橋的自重，取p=250kN/m。

2.3.1 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接截面的配筋的傳統計算方法

沿原內支撐CL取單位縱向長度作為計算截面的配筋截面，則該截面的平面尺寸及受力情況如(圖4)。

圖4 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的配筋計算簡圖

利用理正結構設計工具箱軟件7.0版進行計算，計算結果如(圖5)，其中剪力V滿足《混凝土結構設計規范》(GB50010 －2010)[4]第 6.3.7 條的規定，即，其中 V=250kN，αcvftbh0=0.7 ×1.71 ×1000 ×765=915.71kN，0.05Np0=0，故截面箍筋按構造要求進行配置。該截面的實際配筋如(圖3)。

圖5 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的配筋計算結果

2.3.2 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接截面配筋的有限元分析

根據傳統計算方法的配筋計算結果，采用ANSYS對構件進行建模分析。該梁長度L=10m，采用對稱式建模，取L=5m，并在對稱面施加對稱面約束。混凝土和鋼筋的組合方式采用離散式，對混凝土采用SOLID65單元進行模擬，對鋼筋采用LIKE8單元進行模擬[6]，[7]。離散鋼筋的 LIKE8 單元和混凝土單元SOLID65共用節點，以實現整體工作過程中自由度的耦合。建立完成的模型如(圖6)。其中鋼筋排布如(圖7)。

圖6 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的離散式鋼筋混凝土模型

采用ANSYS的非線性分析功能，對模型進行受力分析，得到收斂的工程解，收斂誤差設置為5%[6]。

模型采用傳統分析的配筋結果進行計算分析，得到梁的撓度值沿梁縱軸的分布如(圖8)。從圖中可知模型的跨中最大撓度fmax=2.86mm。模型的裂縫計算結果如(圖9)，從圖中可知截面的裂縫在端部和跨中的中性軸以下沿豎向分布開展，在截面懸挑處，沿梁縱向軸線分布。

圖7 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的鋼筋排布

圖8 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的撓度

圖9 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的裂縫開展

根據國家規范的要求，構件的截面應力不應超過材料的極限承載力。通過ANSYS的通用后處理器查看混凝土的應力，得到混凝土的應力分布如(圖10)。從圖中可知，混凝土的最大壓應力為18.49N/mm2，最大拉應力為7.69 N/mm2。該截面采用C40混凝土，混凝土的抗壓強度設計值為19.1 N/mm2，抗拉強度設計值為1.71 N/mm2。對比圖示的應力分布，可知該構件全截面的壓應力均不大于混凝土的抗壓強度設計值，拉應力在局部超過抗拉強度設計值，將產生裂縫，失去抗拉能力。但混凝土拉應力超過規范要求的范圍很小，且在鋼筋混凝土構件中，計算時是不考慮混凝土的受拉承載力的，故該結果滿足規范的要求。

圖10 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的混凝土應力分布

通過ANSYS的通用后處理器查看鋼筋的軸向應力，建立鋼筋軸向應力的輸出表格，并按應力絕對值的大小降序排列[8]，得到的結果如(圖11)。從該列表可知，鋼筋的最大拉應力為315.23N/mm2，最大壓應力為314.22 N/mm2，未超過規范規定的鋼筋抗拉和抗壓強度設計值360 N/mm2，故滿足規范的要求。

圖11 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的鋼筋應力的降序排列

2.4 基坑臨時施工型鋼棧橋與基坑內支撐體系的連接采用改進做法的工程實例

某工程采用SMW工法樁+二道鋼筋砼內支撐的基坑支護體系，為加快土方運輸需搭建臨時施工型鋼棧橋。該棧橋的垂直運輸高度為5.5m，行車中線的水平投影長度為46.4m，臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面采用本文提到的改進方法進行計算和截面施工，如(圖12)。從圖中可知，截面的裂縫開展與有限元計算的結果相符，經現場踏勘和監測，截面未出現破壞和過大變形，與計算結果相一致。故采用傳統方法進行截面設計，能夠符合國家規范的要求，并滿足工程實際的要求。

圖12 臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面的改進做法的工程實例

3 結論

在采用內支撐支護體系的深基坑工程中，為了提高土方開挖的效率，常架設臨時施工鋼棧橋。臨時施工鋼棧橋的立柱樁基礎應考慮由土方車和棧橋自重產生的豎向作用和水平作用，其中豎向作用Nk=，水平作用F=0.10×(q×L+P)。為了充分發揮內支撐梁的承載力并節約鋼棧橋的工程造價，對臨時施工型鋼棧橋與內支撐梁的連接截面進行改進。經過有限元分析和實際工程的驗證，對該連接截面沿原內支撐CL取單位縱向長度作為計算截面并采用傳統計算方法進行配筋計算，能夠滿足國家相關規范和工程實際的要求。

[1]John Vincent，John Corven.Innovative Overwater Trestle Reconstruction[C].16Th Congress of IABSE，Lucerne，2000.

[2]JGJ94－2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]JTG D60－2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[5]蔣峰，柯誠.淺談大型鋼棧橋的造價分析[J].公路，2010，(10):32－35.

[6]尚曉江，邱峰，趙海峰.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社，2008.278－299.

[7]汪冬生，吳鐵君.ANSYS中的鋼筋混凝土單元[J].武漢理工大學學報，2004，28(4):526－529.

[8]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學手冊[M].北京:人民郵電出版社，2007.380－382